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Dynamique et transfert du carbone dans le bassin
versant de la Loire : Traçage par les isotopes du carbone.
Cindy Coularis
To cite this version:
Cindy Coularis. Dynamique et transfert du carbone dans le bassin versant de la Loire : Traçage par les isotopes du carbone.. Sciences de la Terre. Université Paris Saclay (COmUE), 2016. Français. �NNT : 2016SACLS132�. �tel-03242296�
NNT : 2016SACLS132
THESE DE DOCTORAT
DE L’UNIVERSITE PARIS-SACLAY,
préparée à l’Université Paris-Sud
ÉCOLE DOCTORALE N° 579
Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences
Spécialité de doctorat : Météorologie, Océanographie physique et Physique de
l’environnement
Par
Mlle Cindy Coularis
Dynamique et transfert du carbone dans le bassin versant de la Loire :
Traçage par les isotopes du carbone
Thèse présentée et soutenue à Gif-sur-Yvette, le 23 juin 2016 :
Composition du Jury :
Mme MOATAR Florentina, Professeur, Univ. François Rabelais Présidente M AMIOTTE-SUCHET Philippe, Maitre de Conférence, Univ.de Bourgogne Rapporteur
M MARO Denis, Expert confirmé, IRSN Rapporteur M MICHELOT Jean-Luc, Directeur de recherche, Université Paris-Sud Examinateur
M FONTUGNE Michel, Docteur es-Sciences, CEA Directeur Mme TISNERAT-LABORDE Nadine, Ingénieur-Chercheur, CEA Encadrant Mme PASTOR Lucie, Ingénieur-Chercheur, IFREMER Encadrant
Remerciements
Après un peu plus de trois ans passés à EDF et au LSCE, le chapitre « Thèse » s’achève. C’est avec un grand plaisir que je tiens à remercier l’ensemble des personnes qui ont contribué à ce travail humainement, professionnellement et personnellement.
Tout d’abord, je tiens à remercier Florentina Moatar (Université François-Rabelais), Jean-Luc Michelot (Université Paris Saclay), Denis Maro (IRSN) et Philippe Amiotte-Suchet (Université de Bourgogne) pour avoir examiné mon travail. Ce travail a bénéficié du soutien financier d’EDF R&D et du LSCE : je remercie ces deux organismes qui ont contribué au bon déroulement de mes recherches.
Ce travail de thèse est arrivé à son terme grâce à l’aide indéfectible de quatre encadrants avec lesquels il s’est tissé un lien fort au fil de la Loire (et de ses caves !).
Mes sincères remerciements s’adressent à mon directeur de thèse, Michel Fontugne. Ses conseils et son soutien m’ont été précieux tout au long du parcours. A cet homme généreux, grand amateur de littérature, je dédie cette citation d’Anatole France : « Sans l’ironie, le monde serait comme une forêt sans oiseaux ». Il est certain que le monde de ce puits de science est une réserve ornithologique laissant échapper quelques pigeons voyageurs qui apportent, sans modération, anecdotes drôles, cocasses, historiques mais toujours instructives. Egalement, j’adresse mes remerciements à Nadine Tisnérat-Laborde pour ses conseils et ses remarques toujours avisées. Sa rigueur au travail a grandement participé au bon déroulement de cette thèse tout comme sa bienveillance et sa gentillesse, qui m’ont aidé à surmonter les épreuves. Merci à toi.
Je remercie aussi Lucie Pastor. Nos discussions ont ouvert d’autres horizons à cette thèse. Le partage de son bureau à EDF, de la voiture pendant les missions et de quelques verres en soirée n’ont fait que renforcer mon estime pour cette femme au caractère bien trempée!
Voici le tour de Françoise Siclet d’être remerciée. Je mesure la chance d’avoir pu travailler et discuter avec cette personne, altruiste et généreuse, qui a partagé avec moi son savoir sur le système aquatique et les CNPE. A bientôt dans le Sud-Ouest !
Puis, je tiens à remercier Patrick Albéric qui m’a apporté son aide précieuse sur la compréhension et l’analyse du carbone stable du COD ainsi que son expertise pendant les comités de pilotage. J’adresse mes plus sincères remerciements à Peter Raymond de l’Université de Yale pour nous avoir aidés à réaliser les mesures de radiocarbone dans le COD et pour ses remarques constructives.
Cette thèse, en grande partie expérimentale, n’aurait pu être réalisée sans la participation de toute l’équipe technique du LSCE : Evelyne Kaltnecker, Claudé Noury, Ingrid Caffy, Jean-Pascal Dumoulin, Marc Sieudat, Stéphane Hain, Emmanuelle Delque-Kolic, Clothilde Comby et toute l’équipe du LMC14. Mention spéciale à Caroline Gauthier et Louise Bordier, qui m’ont accompagné en mission en plus de leur participation technique. Je ne l’oublierai pas nos rigolades dans le bureau 104. Merci sincèrement à vous ! Je remercie tout spécialement Jean-François, notre verrier retraité, qui m’a formé à la soudure et m’a sorti de situations urgentes et délicates. Je remercie aussi Christine Hatté pour avoir réalisé un certain nombre de mesure, pour son soutien moral mais surtout pour m’avoir incité à faire une thèse alors que je n’étais que son élève.
Je tiens à remercier tous les membres du LNHE (permanents et thésards) que j’ai rencontré au cours de ces 3 ans et qui m’ont très bien accueillie. Je m’excuse par avance pour
cette liste non exhaustive : Victor Bret, Amélie Caillat, Cécile Couegnas, Cécile Doukouré, Caroline Ferry, Mohammed Krimissa, Vincent Loizeau, Beatriz Lourino-Cabana, Nicolas Malleron, Laura Marang, Jean-Daniel Mattei, Pascale Polledri, Eloïse Rumori, Vincent Stobiac, Elsa Vitorge, Fabrice Zaoui,…
Je remercie les habitués du bureau de FMR pour les fins de journée détente : Alain, Gilles, Hélène, Martine.
La thèse n’aurait pas été la même sans les thésards du troisième étage du LSCE: Flora, Cécile, Elian, Pierre, David, Wiem, Hugo junior, Naoufel, Jens, Alison, Marion, Dariouche, Laurine, Claire, Rana, Lise, Evelyne et tous les thésards et stagiaires de passage. Merci à Wiem pour sa gentillesse et sa générosité. Je ne lui souhaite que le meilleur. Un gros merci à Marion pour ces longues soirées au labo. Je n’oublierai pas le béni-oui-oui ! Et enfin Hugo pour ces trois de colocation. Ton soutien, à grands renforts de cannelés, de chansons cultes ou de silences parfois, m’a permis de traverser bien des épreuves alors simplement merci. Bonne continuation à vous tous !
Parce que sans eux je ne serai pas allée bien loin, je remercie mes parents et mon frère pour leur soutien moral sans faille. Bien que cette thèse soit du chinois pour eux, ils m’ont toujours encouragé et soutenu dans mes choix sans jamais les remettre en cause. Ils ont été mon radeau de survie au milieu de cette tempête, ma corne d’abondance remplie d’amour et de victuailles. Egalement, un grand merci à mes grands-mères, oncles, tantes, cousin(e)s pour leurs témoignages d’affection.
Et enfin, un immense merci à toi Romain, pour ton amour, ta patience et ta zen attitude. Grâce à toi (et tes petits plats), cette thèse n’apparaissait pas comme une montagne mais comme un caillou sur le chemin de notre merveilleuse vie à deux.
Merci aussi à tous ceux que je n’ai pas cité. Merci.
Résumé
Cette thèse présente une étude du cycle du carbone dans la Loire et ses principaux affluents dans le but (1) de décrire, en s’appuyant sur la composition isotopique (14C et 13C), les sources, la nature et l’âge du Carbone Inorganique et Organique Dissous (CID, COD) et du Carbone Organique Particulaire (COP) prélevés lors de quatre missions en 2013-2014 et (2) d’utiliser le carbone 14 anthropique, présent dans les rejets liquides des 5 Centres Nucléaires de Production d’Electricité (CNPE) en service sur le bassin, comme traceur de transfert de carbone entre les différentes phases. Les archéologues ont mis en évidence que les âges radiocarbone déterminés sur des échantillons d’os ou de matériels non-humains (poteries, céramiques, sédiments…) ne sont pas à l’équilibre avec l’atmosphère de l’époque et nécessitent une correction. Ce biais provient de l’âge de l’eau ingérée ou utilisée et plus précisément de l’âge du CID appelé âge réservoir. Dans la Loire et ses affluents, le CID est principalement issu de l’érosion et de la dissolution du substrat géologique. Les concentrations en CID sont plus élevées en terrain sédimentaire carbonaté localisé en Loire moyenne. Les âges réservoirs étant directement corrélés à la teneur en CID, ils présentent une grande variabilité spatiale (de 135 à 2251 années 14C) du fait de la traversée de zones géologiques plus ou moins carbonatées par la Loire et ses affluents. Par ailleurs, ce CID est principalement consommé lors des processus photosynthétiques pour produire le COP algal. Ce COP algal est l’une des deux composantes de la matière organique (MO) particulaire avec le COP détritique. Les concentrations en COP suivent un cycle temporel très marqué avec des teneurs plus élevées au printemps. Le marquage du carbone algal dépend de la signature isotopique du CID utilisé lors de la synthèse chlorophyllienne. Les âges réservoirs déterminés dans le COP varient alors entre 124 et 1597 années 14C avec une variation spatio-temporelle identique à celle observée dans le CID. La proportion de carbone algal, variant entre 2 et 100%, dépend de la rivière et des conditions climatiques et hydrologiques sans qu’il soit possible d’énoncer une règle générale. La composante détritique du COP possède un marquage proche du COP et du COP algal impliquant que ce carbone détritique n’est pas d’origine géologique et donc qu’il n’est pas réfractaire. La décomposition de cette MO particulaire est une source de COD au même titre que l’activité métabolique des organismes (lyse et exsudation) et l’apport de vieille MO par la rivière, le lessivage des sols ou les nappes souterraines. Les concentrations en COD suivent donc les mêmes cycles saisonniers que le COP. Cependant, les teneurs sont plus élevées que celles du COP et augmentent peu spatialement (± 1mg/L). Il peut être âgé si le COP et/ou la MO exportée sont anciens. Ainsi, les âges réservoirs dans le COD sont compris entre 101 et 2494 années 14C en avril 2013 avec des âges plus vieux en zone agricole. L’utilisation du radiocarbone anthropique a permis, outre la visualisation des transferts entre les différentes phases, de confirmer l’émission de 14
C enrichi (ou actif) sous la forme CID par les CNPE mais aussi sous forme organique dans le COP et le COD.. Cependant, l’activité 14C du CID ne représente pas l’activité totale du rejet en raison des échanges eau-atmosphère induisant un flux sortant de 14C. Le COP marqué enregistre l’activité du CID moyennée sur 24h en utilisant le CID émis par les CNPE. Le COP étant isolé de l’atmosphère, l’activité mesurée dans le COP est proche de l’activité du CID au moment de la photosynthèse. L’acquisition de toutes ces données et la compréhension des processus de transferts entre CID, COP et COD permettra d’améliorer le modèle de prédiction existant et à terme, d’anticiper le comportement de ce radionucléide dans le milieu récepteur de son émission à son arrivée dans l’estuaire puis dans l’Océan Atlantique.
Abstract
This thesis focuses on carbon cycle in the Loire River and its major tributaries. It aims to (1) use isotopic composition (14C and 13C) to describe the sources, the nature and the age of the Dissolved Inorganic and Organic Carbon (DIC, DOC) and of the Particular Organic Carbon (POC) sampled during four campaigns in 2013 and 2014; and (2) to use anthropogenic 14C found in the liquid releases of the 5 Nuclear Power Plants (NPP) operating in the basin as a tool to track carbon transfer between the different phases.
Archaeologists demonstrated that 14C ages of samples coming from bones or non-human material (potteries, ceramics, sediments,…) are not in balanced with the atmosphere of the time they were created and thus need to be corrected. This bias stems from the age of water (as beverage or raw material), and more precisely the DIC age, also known as reservoir age. In the Loire River and its tributaries, DIC mainly comes from erosion and dissolution of the geological substratum. DIC concentrations are higher in the carbonated areas located in the middle Loire. As the reservoir ages are directly related to the DIC content, their values present a wide spatial variability (from 135 to 2251 yr 14C BP) because the Loire River and its tributaries cross areas with variable content of carbonates among their geological formations. Also, DIC is mainly absorbed during photosynthetic processes that produce algal POC. Algal POC and detrital POC form the particulate organic matter (OM). POC concentrations follow a temporal cycle with higher values during Spring time. Algal carbon marking depends on the DIC isotopic signature used by the chlorophyll synthesis. Reservoir ages calculated from POC values range from 306 to 1597 14C years, with the same spatial and temporal variation as the DIC. Algal carbon ratio, ranging from 2 to 100%, depends on the river, and climatic and hydrologic conditions. However, no systematic pattern can be found. The detrital fraction of POC has an activity close to the activity of POC and algal POC involving that the component is not of geological origin and thus, it is not refractory. The decomposition of this particular OM, the metabolic activity of organisms (lysis and exudation) and the input of old OM from the river, the soil or the groundwater are all sources for DOC production. Thus, DOC concentrations follow the same seasonal pattern as the POC. However, DOC contents are higher than the POC ones, and increase a bit from upstream to downstream (±1mg/L). It can be aged if POC and/or exported OM are old. Thus reservoir ages in the DOC range from 101 to 2494 14C years in April 2013, with older ages in agricultural areas.
Not only did the use of anthropogenic 14C made it possible to visualize transfers between different phases, but also it confirmed the emission of enriched 14CDIC and but also
the emission of 14CPOC and 14CDOC by the NPP. However, the 14CDIC activity does not represent
the complete activity of the release because of water-atmosphere exchange involving 14C outflow. The marked POC records the DIC activity during 24h using the DIC from the NPP. The POC being isolated from the atmosphere, the POC measured activity is close to the DIC activity during the photosynthesis. All these data combined to the understanding of the transfers processes between DIC, POC and DOC will make it possible to improve the existing prediction model and, eventually, to anticipate the behavior of this radionuclide in the river from its emission to its arrival in the estuary and then in the Atlantic Ocean.
Table des matières
Remerciements ... 3
Résumé ... 7
Abstract ... 8
Liste des figures ... 11
Liste des tableaux ... 16
Chapitre
I.Introduction générale, contexte et objectifs de la thèse ... 19
I.1 Introduction générale ... 21
I.2 Les différentes formes de carbone ... 25
I.2.1 Origine et nature du CID, CIP, COD et COP ... 25
I.2.2 Les principaux processus engagés: photosynthèse / dégazage/ sédimentation 28 I.3 Utilisation des isotopes du carbone comme traceur de processus en rivière 29 I.3.1 Variabilité spatiale ... 29
I.3.2 Variabilité temporelle ... 30
I.4 Conclusion et objectifs de la thèse ... 32
Chapitre II.Lieu d’étude et méthode ... 35
II.1 Description du bassin versant ... 37
II.1.1 Choix du bassin versant ... 37
II.1.2 Caractéristiques du bassin versant et de la Loire ... 37
II.2 Les sites d’étude ... 44
II.2.1 Choix des sites ... 44
II.2.2 Description des quatre campagnes de prélèvement ... 47
II.3 Matériel et Méthodes ... 50
II.3.1 Le matériel ... 50
II.3.2 Récapitulatif des méthodes de mesure ... 52
Chapitre III.Source, composition et âges réservoir du CID, COP et COD en
milieu non influencé par les activités anthropiques ... 53
III.1 Introduction ... 55
III.2 Variations temporelles et spatiales des âges réservoirs du carbone inorganique dissous de la Loire est ses affluents ... 55
III.2.1 Résumé ... 55
III.2.2 Article: Temporal and spatial variations of freshwater reservoir ages in DIC in the Loire River watershed ... 56
III.3 Variations temporelles et spatiales des âges réservoirs du carbone organique particulaire et dissous dans le bassin versant de la Loire ... 72
III.3.1 Le Carbone Organique Particulaire (COP) ... 72
III.3.2 Le Carbone Organique Dissous (COD) ... 98
III.4 Conclusion générale du chapitre III ... 114
Chapitre IV.Transferts de carbone entre le CID, COP et COD : Utilisation
du radiocarbone anthropique ... 117
IV.1 Introduction ... 119
IV.2 Sites impactés ... 119
IV.3 Quantification et spéciation de l’apport de carbone par les rejets liquides des CNPE 122 IV.4 Source et composition des différentes phases de carbone ... 124
IV.4.1 Le Carbone Inorganique Dissous ... 124
IV.4.2 Le Carbone Organique Particulaire ... 136
IV.4.3 Le Carbone Organique Dissous ... 143
IV.5 Conclusion générale du chapitre IV ... 149
Chapitre V.Conclusion générale et perspectives ... 153
V.1 Etat des lieux des phases de carbone (CID, COP et COD) ... 155
V.2 Les transferts de carbone entre les phases ... 156
V.3 Perspectives ... 156
Chapitre VI.Bibliographie ... 159
ChapitreVII.Annexes ... 173
ANNEXE A : Les isotopes du carbone...
A-5 ANNEXE B : Géologie ... B-13 ANNEXE C : Les Centres Nucléaires de Production d’Electricité (CNPE) ... C-31 ANNEXE D : Méthodes d’analyse ... D-41 ANNEXE E : Programmes d’intercomparaison ... E-53 ANNEXE F : Tableaux de résultats par campagne de prélèvement ... F-59 ANNEXE G : Bibliographie des annexes ... G-77Liste des figures
Figure I-1 : Schéma simplifié du cycle du carbone global. Les nombres représentent les stocks de carbone en PgC et les flux annuels de carbone échangés en PgC/an (IPCC, 2013). Les nombres et les flèches noirs indiquent les stocks et les flux estimés pour la période de l’ère industrielle, environ 1750. Les nombres et les flèches rouge indiquent les stocks et les flux moyens anthropiques couvrant la période 2000-2009. ... 22
Figure I-2 : Transport de la matière par les rivières a) sans transformations, b) subissant des transformations au sein de la rivière, d'après Cole et al. 2007. ... 23
Figure I-3 : Représentation simplifiée du cycle du carbone dans les rivières d’après Raymond et al. 2005. ... 24
Figure I-4 : Diagramme de répartition des espèces de l'acide carbonique. ... 25 Figure II-1 : Carte géologique du bassin versant de la Loire. La légende des couleurs représentants la stratigraphie sédimentaire et volcanique est disponible en annexe B. Les centres nucléaires de production d'électricité sont indiqués par les points rouges (BEL : Belleville ; DAM : Dampierre ; SLB : Saint Laurent ; CHI : Chinon ; CIV : Civaux). ... 38
Figure II-2 : Bassin versant de la Loire. La Loire Amont est située en amont des confluences de la Loire avec l’Allier et avec la Vienne. La Loire moyenne correspond au tronçon de rivière compris entre la confluence de la Loire et de l’Allier et la confluence de la Loire et de la Maine. La Loire Aval débute après la confluence de la Loire avec la Maine. Les Centres Nucléaires de Production d’Electricité sont représentés par les points rouges. Trois zones sont identifiées : les zones « 1 » et « 3 » sont des régions cristallines (zones rayées orange) et la zone « 2 » est une région sédimentaire carbonatée (zone rayée bleue). Les zones en pointillés correspondent aux plaines d’effondrement carbonates de la Limagne, du Roanne et du Forez. ... 39
Figure II-3 : Carte d'utilisation des sols du bassin versant de la Loire (d'après les données SIG de la base Corine Land Cover France 2006). Les points rouges indiquent les CNPE et les points noirs représentent les sites de prélèvement. ... 40
Figure II-4 : Représentation graphique des débits mensuels de janvier 2008 à septembre 2014 et des débits journaliers pour l’année 2013 le long de la Loire. Les lignes rouges sont les limites de crues et d’étiage. ... 42
Figure II-5 : Carte de la Loire et de ses principaux affluents. ... 43 Figure II-6 : Bassin versant de la Loire indiquant les sites de prélèvement (points noirs), les CNPE (points oranges), les trois zones géologiques (en rayé orange et bleu). ... 45
Figure II-7 : Dates des rejets effectués par les cinq CNPE au cours de la mission SCILOCA I. Les sites échantillonnés sur la Loire (notés en gris le long de l’axe des abscisses) sont positionnés à leur date de prélèvement. Le CNPE de Belleville (BEL) est en rouge, celui de Dampierre (DAM) en vert, celui de Saint-Laurent-des-eaux (SLB) en violet, celui de Chinon (CHI) en orange et celui de Civaux (CIV) en bleu. ... 47
Figure II-8 : Dates des rejets effectués par les cinq CNPE au cours de la mission SCILOCA II. Les sites échantillonnés sur la Loire (notés en gris le long de l’axe des abscisses) sont positionnés à leur date de prélèvement. Le CNPE de Belleville (BEL) est en rouge, celui de Dampierre (DAM) en vert, celui de Saint-Laurent-des-eaux (SLB) en violet,
celui de Chinon (CHI) en orange et celui de Civaux (CIV) en bleu. ... 48 Figure II-9 : Dates des rejets effectués par les cinq CNPE au cours de la mission SCILOCA III. Les sites échantillonnés sur la Loire (notés en gris le long de l’axe des abscisses) sont positionnés à leur date de prélèvement. Le CNPE de Belleville (BEL) est en rouge, celui de Dampierre (DAM) en vert, celui de Saint-Laurent-des-eaux (SLB) en violet, celui de Chinon (CHI) en orange et celui de Civaux (CIV) en bleu. ... 49
Figure II-10 : Dates des rejets effectués par les cinq CNPE au cours de la mission SCILOCA IV. Les sites échantillonnés sur la Loire (notés en gris le long de l’axe des abscisses) sont positionnés à leur date de prélèvement. Le CNPE de Belleville (BEL) est en rouge, celui de Dampierre (DAM) en vert, celui de Saint-Laurent-des-eaux (SLB) en violet, celui de Chinon (CHI) en orange et celui de Civaux (CIV) en bleu. ... 50
Figure II-11 : Le prélèvement en images : à gauche, Port Boulet (L8) pendant SCILOCA I et à droite, Lussac-les-châteaux (V1) pendant SCILOCA IV. ... 50
Figure III-1 : Loire River basin. The upper part of the Loire River is upstream of the confluence of the Allier and Loire rivers. The middle part of the Loire River is between the confluence of the Allier and Loire rivers and the confluence of the Maine and Loire rivers. The lower part of the Loire River is downstream the confluence of the Maine and Loire rivers. Sampling sites and Nuclear Power Plants (NPP) are represented by black and red points, respectively. Three areas are identified: Area 1 and 3 are crystalline regions (striped orange zone) and area 2 is a region with carbonaceous sediments (striped blue zone). The dotted area represents the carbonated collapse plain between the Limagne plain, the Roanne basin and the Forez basin. ... 60
Figure III-2 : Reservoir ages evolution during the four campaigns from upstream to downstream for the Loire (L), Allier (A), Cher (C), Indre (I), Vienne (V), Mayenne (Ma), Sarthe (S), Loir (Lo) and Maine (M) Rivers. The orange markers correspond to sites in areas 1 and 3, the blue markers to the sites in area 2. ... 64
Figure III-3: Reservoir ages and alkalinity correlation ... 65 Figure III-4 : Données des teneurs en MES (a), Chlorophylle a (b), COP (c) et valeurs de pourcentage de COP dans les MES (d) dans la Loire en avril 2013 (cercle vert), en juillet 2013 (carré rouge), en octobre 2013 (losange orange) et en mars 2014 (triangle bleu). ... 73
Figure III-5 : MES en fonction du COP dans la Loire en avril 2013 (cercle vert), en juillet 2013 (carré rouge), en octobre 2013 (losange orange) et en mars 2014 (triangle bleu). 74
Figure III-6 : Evolution des teneurs en MES (a), en Chl a (b) et en COP (c) et du pourcentage de COP dans les MES (d) dans les affluents de la Loire de l’amont à l’aval du bassin versant (BV). ... 75
Figure III-7 : Evolution des teneurs en MES (a) et en COP (b) le long de la Loire pendant les campagnes SCILOCA (losange bleu) et LORA (losange rouge). ... 76
Figure III-8 : Dispersion des valeurs de concentration en nitrates (a), en phosphates (b) et en chlorophylle a (c) en fonction des concentrations en COP dans la Loire. ... 76
Figure III-9 : Concentrations en nitrates (carré rouge) et en phosphates (triangle vert) de l’amont vers l’aval de la Loire. ... 77
Figure III-10 : Concentrations en nitrates (a) et en phosphates (b) dans les différents affluents de la Loire. ... 78
fonction du débit de la Loire. ... 78 Figure III-12 : Droites de corrélation dans la Loire, l’Allier, la Vienne (a.) et dans le Cher, la Mayenne, le Loir et la Maine (b.). ... 81
Figure III-13 : Composition du COP dans la Loire et ses tributaires pendant les quatre missions. Le COP algal est représenté en vert et le COP détritique est en beige... 83
Figure III-14 : Evolution de la composition isotopique du 13COP dans la Loire et ses affluents pendant les missions SCILOCA II, III et IV. ... 84
Figure III-15 : Dispersion des valeurs de 13COP en fonction de celles de 13CID dans le bassin versant de la Loire. ... 84
Figure III-16: Variations du 13COP dans le bassin versant de la Loire. Les carrés rouges correspondent à la campagne de juillet 2013, les triangles orange à la mission d’octobre 2013 et les triangles bleus à la mission de mars 2014. ... 86
Figure III-17 : Valeurs de fractionnement dans la Loire et ses tributaires pendant les missions SCILOCA II, III et IV. ... 86
Figure III-18 : Evolution du F14COP (‰) dans la Loire amont et ses affluents en zone non influencée. La valeur de l’activité atmosphérique (F14
Catm) est indiquée en pointillés noirs
(1,0258 en 2014). ... 88 Figure III-19 : Représentation de l’activité F14COP en fonction de l’activité F14CID en milieu non influencé dans la Loire et ses affluents. ... 88
Figure III-20 : Ages réservoirs du COP et du CID pendant les quatre campagnes. Les sites situés en zone « 1 » et « 3 » sont représentés par des symboles orange et les sites situés en zone « 2 » sont en bleu. ... 91
Figure III-21 : F14COP en fonction du pourcentage de carbone algal dans la Loire et ses affluents en milieu non influencé. ... 93
Figure III-22 : Dispersion de l’activité 14C du COP dans les sols à en fonction de la profondeur à L2 et L3 (Loire), à C1 (Cher), V1(Vienne), Ma2 (Mayenne), Lo2 (Loir) et M1 (Maine) (Mathieu et al. 2015). ... 94
Figure III-23 : F14CID, F14COP, F14COPalg et F14COPdet dans la Loire (L2 et L3), le
Cher, la Vienne (V1), la Mayenne (Ma2), le Loir (Lo2) et la Maine (M1). La valeur de l’activité atmosphérique (F14
Catm) est indiquée en pointillés noirs (1,0258 en 2014, Levin
communication personnelle). ... 95 Figure III-24 : Concentration en COD le long de la Loire (a) et dans les affluents (b) au cours des quatre missions. ... 99
Figure III-25 : Evolution des concentrations en COD (symboles en bleu) et en COP (symboles en rouge) exprimés en mgC/L le long de la Loire et de ses affluents pendant les quatre campagnes. ... 100
Figure III-26 : Dispersion des valeurs de concentrations en COD en fonction de celles en COP dans le bassin versant de la Loire pendant les quatre campagnes. ... 100
Figure III-27 : Evolution des teneurs en COD le long de la Loire pendant les campagnes SCILOCA (symboles en rouge) et LORA (symboles en bleu). ... 101
Figure III-28 : Evolution des concentrations en nitrates et en phosphates en fonction des teneurs en COD dans le bassin versant de la Loire. ... 101
Figure III-29 : Comparaison des valeurs de 13COD mesurées à ISTO et au LSCE pendant les missions SCILOCA I (en vert) et II (en rouge). ... 106
Figure III-30 : Evolution de la composition isotopique du 13COD dans la Loire et ses affluents pendant les missions SCILOCA I, II, III et IV. ... 106
Figure III-31 : Carte des données des positions géographiques des données de 13COD de la littérature. Les chiffres correspondent aux références dans le Tableau III-10. ... 108
Figure III-32 : Evolution de la composition isotopique du 13COD dans la Loire et ses affluents pendant les missions SCILOCA II, III et IV. ... 109
Figure III-33 : Variations du 13COD dans le bassin versant de la Loire. Les losanges verts correspondent à la campagne d’avril 2013, les carrés rouges correspondent à celle de juillet 2013, les triangles orange à la mission d’octobre 2013 et les triangles bleus à la mission de mars 2014. ... 109
Figure III-34 : Evolution du F14COD dans la Loire (L2 à L6) et ses affluents en zone non influencée en avril 2013. Les barres d’erreur à 2sont comprises dans le symbole. ... 111
Figure III-35 : Comparaison des âges réservoirs du CID (triangle bleu), COP (cercle vert) et COD (carré rouge) pendant la campagne d’avril 2013. Les incertitudes sont exprimées à 2 ... 112
Figure IV-1 : Circuit de refroidissement fermé et CNPE de Belleville-sur-Loire. ... 119 Figure IV-2 : Carte des sites de prélèvements sur la Loire et la Vienne. Les zones sous influence des CNPE sont indiquées en gris. Les points rouges indiquent les CNPE et les points noirs indiquent les sites de prélèvement. ... 120
Figure IV-3 : Evolution du F14CID et de l’activité du tritium dans la Loire pendant SCILOCA I (a), SCILOCA II (b), SCILOCA III (c) et SCILOCA IV (d). La limite de quantification du tritium est indiquée en pointillés rouge (2,6 Bq/L). Pour SCILOCA III, l’échelle est multipliée par 8. ... 125
Figure IV-4 : Evolution du F14CID et du tritium dans la Vienne pendant SCILOCA II (a) et SCILOCA III (b). La limite de quantification du tritium est indiquée en pointillés rouge (2,6 Bq/L). ... 125
Figure IV-5 : Dispersion des activités F14CID en fonction de celles en tritium dans la Loire et la Vienne. ... 126
Figure IV-6 : Comparaison des débits modélisés et débits acquis depuis la Banque Hydro aux stations L6, L7 et L8 sur la Loire. ... 127
Figure IV-7: Comparaison des débits modélisés et débits acquis depuis la Banque Hydro à la station V2 sur la Vienne. ... 128
Figure IV-8 : Représentation schématique de la Loire et de la Vienne dans le modèle. ... 128 Figure IV-9 : Modélisation de l’activité 14CID (Bq/m3) dans la Loire pendant SCILOCA I, II, III et IV. Les valeurs expérimentales d’activité 14
CID acquises pendant les campagnes de prélèvement ont été reportées en noir sur les courbes. ... 129
Figure IV-10 : Modélisation de l’activité 14CID dans la Vienne pendant SCILOCA I, II et III. Les valeurs expérimentales d’activité 14
CID acquises pendant les campagnes de prélèvement ont été reportées en noir sur les courbes. ... 129
(a) et la Vienne (b) pendant SCILOCA I (1), SCILOCA II (2), SCILOCA III (3) et SCILOCA IV(4). Les sites situés en zone cristalline sont situés dans la zone orange. La position des CNPE est indiquée par des triangles jaunes. ... 133
Figure IV-12 : Evolution du F14CID dans la Loire (a) et la Vienne (b) pendant les quatre missions. L’activité naturelle de l’atmosphère (F14
Catm = 1,0258 en 2014) est représentée par
la ligne verte discontinue. Les barres d’erreur sont incluses dans le symbole. ... 134 Figure IV-13 : Evolution du F14COP dans la Loire et dans la Vienne. L’activité naturelle de l’atmosphère (F14
Catm = 1,0258 en 2014) est représentée par la ligne discontinue verte. . 136
Figure IV-14 : Dispersion des F14COP en fonction des F14CID en milieu influencé. .. 138 Figure IV-15 : Evolution du F14COP et du F14CID dans la Loire pendant SCILOCA I (a), SCILOCA II (b), SCILOCA III (c) et SCILOCA IV (d). L’activité naturelle de l’atmosphère (F14
Catm = 1,0258 en 2014) est représentée par la ligne discontinue verte. ... 139
Figure IV-16 : Evolution du F14COP et du F14CID dans la Vienne pendant SCILOCA I (a), SCILOCA II (b), SCILOCA III (c) et SCILOCA IV (d). L’activité naturelle de l’atmosphère (F14
Catm = 1,0258 en 2014) est représentée par la ligne discontinue verte. ... 140
Figure IV-17 : Composition du COP dans la zone influencée de la Loire et de la Vienne pendant les quatre missions. Le COP algal est représenté en vert et le COP détritique est en beige. ... 142
Figure IV-18 : Comparaison des activités F14CID, F14COP et F14COD dans la Loire lors de SCILOCA I. L’activité naturelle atmosphérique est représentée en pointillés noirs. ... 144
Figure IV-19 : Dispersion des F14COD en fonction des F14COP en milieu influencé. 144 Figure IV-20 : F14CID, F14COP et F14COD dans la Vienne lors de SCILOCA I. ... 145 Figure IV-21 : Schéma des sources de CID. Les apports anthropiques ont été ajoutés en encadrés bleus. L’encadré en italique et en pointillés sont des apports potentiels et non vérifiés lors de l’étude. ... 149
Figure IV-22 : Schéma des sources de COP. Les apports anthropiques ont été ajoutés en encadrés verts. L’encadré en italique correspond à une source non confirmée. ... 150
Figure IV-23 : Schéma des sources de COD. Les apports anthropiques ont été ajoutés en encadrés rouges. Les encadrés en italique et en pointillés sont des apports potentiels et non vérifiés lors de l’étude. ... 151
Figure IV-24 : Sources et transferts de carbone entre les phases du CID, COP et COD. ... 152
Liste des tableaux
Tableau I-1 : Quantité de carbone totale (PgC) et échangeable (g/cm²) entre les différents réservoirs. Le contenu en carbone est exprimé en fonction de la surface de la Terre soit 5,1.1018 cm². (IPCC, 2013)... 21
Tableau I-2 : Concentrations en CID (mgHCO3-/L) dans les 25 plus grand fleuves du
monde. Les références bibliographiques sont indiquées dans la 4ème colonne (modifié d’après Cai et al. 2008). ... 26
Tableau I-3 : Pourcentages annuels de carbone organique particulaire dans plusieurs rivières du monde extrait de Meybeck 1982; a) Wagemann et al. 1977; b) Malcom & Durum 1975; c) FAO/UNESCO 1973). ... 28
Tableau II-1 : Tableau des sites de prélèvement classés par rivière indiquant les coordonnées GPS, le point kilométrique et la zone géologique à laquelle ils appartiennent. Les couleurs orange et bleu font référence aux couleurs de la Figure II-2. ... 46
Tableau II-2 : Liste des paramètres analysés accompagnés de leur symbole, unité respective et méthode analytique respective. Les paramètres en italique sont issus des programmes d’intercomparaison. ... 52
Tableau III-1 : Sampling sites location on the Loire River basin. KP 0 is situated at Saint Nazaire near the estuary (47°16'04"N; 2°11'08"O) ... 59
Tableau III-2 : River discharge (data from www.hydro.eaufrance.fr), Chlorophyll a concentration, alkalinity, DIC concentration, DIC 13C, 14C activity and reservoir age for the 20 sampling sites in the Loire River Basin. Sampling year and month are specified after the location name. Unpublished values obtained during the 2004 and 2005 LORA experiments (Fontugne et al. 2007) are reported in italics. nd is for not determined value. ... 63
Tableau III-3 : Concentrations en MES (mg/L), en COP (µg/L), pourcentage de COP dans les MES (%), Teneurs en chlorophylle a, 13COP dans la Loire amont et ses affluents pendant les quatre campagnes de prélèvement. ... 79
Tableau III-4 : Coefficient directeur et de détermination et nombre d’échantillons utilisés pour leur détermination dans la Loire et ses affluents. ... 81
Tableau III-5 : Valeurs de F14COP, de 14COP, d’âge du COP et d’âge réservoir en milieu naturel. L’absence de résultats est indiqué par l’acronyme « a.r » (aucun résultat). .... 90
Tableau III-6 : Equation F14COP = f (%COP algal), coefficient de détermination, nombre d’échantillons utilisés pour leur détermination et valeur du F14
COP détritique dans la Loire et ses affluents en zone naturelle. ... 93
Tableau III-7 : Pourcentage de COP détritique et algal, F14COP, F14COPdet, F14COPalg et
F14CID dans la Loire (L1 à L6), dans l’Allier, le Cher, la Vienne (V1, V2), la Mayenne, la Sarthe, le Loir et la Maine. ... 96
Tableau III-8 : Teneurs en COD, 13CODISTO et 13CODLSCE dans la Loire pendant les
quatre campagnes. L’acronyme « n.a » est utilisé pour les échantillons non analysés et « a.r » quand aucun résultat n’a été obtenu. ... 103
Tableau III-9 : Teneurs en COD, 13CODISTO et 13CODLSCE dans les affluents pendant
les quatre campagnes. L’acronyme « n.a » est utilisé pour les échantillons non analysés et « a.r » quand aucun résultat n’a été obtenu. ... 104
Tableau III-10 : Valeurs de 13COD mesurées dans différentes rivières en Amérique, en Afrique et en Asie. Les données extraites de la littérature d’après (Spiker & Rubin 1975; Masiello & Druffel 2001; P. A Raymond & Bauer 2001; Raymond et al. 2004; Neff et al. 2006; Sickman et al. 2010; Butman et al. 2012; Spencer et al. 2012; Wang et al. 2012; Jull et al. 2014). ... 107
Tableau III-11 : Pourcentage moyen et flux ponctuels moyens de CID, COP et COD dans la Loire fluviale et ses affluents. ... 115
Tableau III-12 : Surface de bassin versant (BV), Débit annuel et flux annuels de CID, COP et COD dans 11 grands fleuves mondiaux. Les exposants correspondent aux références bibliographiques : aAmiotte Suchet et al. 2003, 1Cai et al. 2008, 2Moreira-Turcq et al. 2003,
3
Ludwig et al. 1996. ... 115 Tableau IV-1 : Données de conductivité et d’activité en tritium dans la Loire pendant les quatre missions. Les échantillons non prélevés sont indiqués par « n.p ». ... 121
Tableau IV-2 : Données de conductivité et d’activité en tritium dans la Vienne pendant les quatre missions. Les échantillons non prélevés sont indiqués par n.p. ... 122
Tableau IV-3 : Valeurs de F14CID, F14COP, F14COD et de tritium aux sites L8’ et L8 en avril 2013. ... 123
Tableau IV-4 : Calcul de l’apport de CID, COP et COD (Bq/m3) en rive gauche (L8’) par rapport à la rive droite (L8). ... 123
Tableau IV-3 : Valeurs de concentrations en CID, de 13CID et de F14CID dans la Loire et la Vienne pendant les quatre missions. L’acronyme « n.a » signifie non analysé et « a.r » aucun résultat. ... 132
Tableau IV-4 : Valeurs de concentrations en COP, de 13COP et de F14COP dans la Loire et la Vienne pendant les quatre missions. L’acronyme « n.p » signifie non prélevé, « n.a » non analysé et « a.r » aucun résultat. ... 137
Tableau IV-5 : Valeurs de concentrations en COD, de 13COD et de F14COD dans la Loire et la Vienne pendant les quatre missions. « n.a » signifie échantillon non analysé. .... 146
Tableau IV-6 : F14COD, F14COP, F14CODnappes et pourcentages calculés de COD
CHAPITRE 1
I. Introduction générale, contexte et objectifs
de la thèse
Chapitre I - Introduction générale, contexte et
objectifs de la thèse
I.1 Introduction générale ... 21
I.2 Les différentes formes de carbone ... 25
I.2.1 Origine et nature du CID, CIP, COD et COP ... 25
I.2.1.1 Le Carbone Inorganique Dissous ... 25
I.2.1.2 La Carbone Inorganique Particulaire ... 26
I.2.1.3 Le Carbone Organique Dissous ... 27
I.2.1.4 Le Carbone Organique Particulaire ... 27
I.2.2 Les principaux processus engagés: photosynthèse / dégazage / sédimentation ... 28
I.3 Utilisation des isotopes du carbone comme traceur de processus en rivière ... 29
I.3.1 Variabilité spatiale ... 29
I.3.2 Variabilité temporelle ... 30
Chapitre I – Introduction générale, contexte et objectifs de la thèse
21
I.1 Introduction générale
Sur la Terre, le carbone est réparti dans trois réservoirs : l’océan, le continent et l’atmosphère (Tableau I-1).
Tableau I-1 : Quantité de carbone totale (PgC) et échangeable (g/cm²) entre les différents réservoirs. Le contenu en carbone est exprimé en fonction de la surface de la Terre soit 5,1.1018 cm². (IPCC, 2013)
La Terre est un système dynamique qui implique des échanges constants de carbone sous ses diverses formes entre ses réservoirs. Ces échanges sont une combinaison de processus biologiques, chimiques et physiques. L’ensemble forme le cycle biogéochimique appelé cycle du carbone (Figure I-1). Deux domaines se distinguent dans le cycle du carbone global. Le premier est un domaine dit « rapide » avec d’importants flux d'échange et des taux élevés de renouvellement des réservoirs. Ils correspondent au carbone de l’atmosphère, l’océan, les sédiments océanique de surface et de la végétation continentale, les sols et les eaux douces (rivières et lacs). Les temps de renouvellement de ces réservoirs varient de quelques années pour l’atmosphère à des décennies pour les grands réservoirs de carbone de la végétation continentale et des sols ainsi que les différents compartiments de l'océan. Le second domaine, dit « lent », correspond aux énormes stockages de carbone dans les roches et les sédiments qui échangent le carbone avec le domaine rapide à travers les émissions volcaniques de CO2, l’altération chimique, l’érosion et la formation des fonds marins (IPCC
2013).
Représentant 0,008% de la surface de la terre (Berner & Berner 1987), les rivières et les lacs ont été longtemps considérés comme des compartiments peu importants dans le cycle du carbone à l’échelle globale et régionale. Or, les rivières ont un rôle important car elles relient le cycle du carbone du continent à l’océan (Figure I-1). En effet, les rivières constituent les principaux apports de carbone à l’océan. Ce carbone se trouve sous quatre formes : Carbone Inorganique Dissous (CID), Carbone Inorganique Particulaire (CIP), Carbone Organique Dissous (COD) et Carbone Organique Particulaire (COP) (Ciais et al. 2008). Les flux de CID, CIP, COD et COP représentent respectivement 38%, 17%, 25% et 20% du flux total de carbone des rivières mondiales vers l’océan (Amiotte Suchet & Probst 1993 ; Perrin et al. 2008) qui est estimé à 0,9 GtC/an selon les différents travaux de Bolin et al. 1983; Meybeck 1993; Cole et al. 2007; IPCC 2013. La matière organique a subi des transformations via de nombreux processus biogéochimiques tels que la minéralisation oxique tout au long de son transport dans les rivières avant son arrivée dans l’océan. De ce fait, sa composition et sa réactivité diffèrent selon sa provenance et son parcours.
Réservoir carbone (PgC)Quantité de
Quantité de carbone échangeable sur le globe (g/cm²) Océan 40450 7,931 Atmosphère 829 0,162 Continent 6590 1,292
Chapitre I – Introduction générale, contexte et objectifs de la thèse
22
Figure I-1 : Schéma simplifié du cycle du carbone global. Les nombres représentent les stocks de carbone en PgC et les flux annuels de carbone échangés en PgC/an (IPCC, 2013). Les nombres et les flèches noirs indiquent les stocks et les flux estimés pour la période de l’ère industrielle, environ 1750. Les nombres et les flèches rouge indiquent les stocks et les flux moyens anthropiques couvrant la période 2000-2009.
Depuis longtemps, les rivières sont étudiées pour mieux comprendre leur fonctionnement, à la fois sur l’estimation des flux de carbone exporté et sur les processus bio-physico-chimiques impliqués. Les investigations des flux de carbone inorganique et organique exporté du continent vers l’océan par les rivières ont commencé dès les années 70 (Garrels et al 1973 ; Duce & Duursman 1977 ; Gordeev & Lisitzin 1978), se sont poursuivis en utilisant des modèles empiriques dans les années 90 (Smith & Hollibaugh 1993 ; Ludwig et al. 1998) et ont continué dans les années 2000 (Mackenzie et al. 2004 ; Seitzinger et al. 2005). Ces études fournissent des estimations de la quantité de carbone arrivant à l’océan pour le développement de modèles globaux. Les modèles utilisent ces estimations des apports des principaux fleuves ou rivières à l’océan estimés à 0,9 GtC pour en déduire ce qui est exporté du continent. Toutefois, ces modèles négligeaient auparavant tous les processus qui pouvaient se produire dans les eaux de surfaces continentales (lacs et rivières).
Des études récentes ont montré que cette simplification des modèles entraînait des erreurs non négligeables de l’ordre de 50% dans l’estimation des apports du compartiment
Chapitre I – Introduction générale, contexte et objectifs de la thèse
23
terrestre aux eaux de surface (Cole et al. 2007). En effet, d’après la Figure I-2a, la quantité de carbone apportée à l’océan est de 0,9 GtC/an. La quantité de carbone exportée depuis le continent était estimé également égale à 0,9 GtC/an, car les rivières étaient considérées traditionnellement comme des transporteurs inertes.
Figure I-2 : Transport de la matière par les rivières a) sans transformations, b) subissant des transformations au sein de la rivière, d'après Cole et al. 2007.
Pourtant, dès 1983, Bolin et al. affirment que les processus chimiques (dissolution des gaz, activité biologique et érosion) modifient les eaux de la rivière et leur donnent une composition unique. Le long de la rivière, le carbone peut-être dégazé sous forme de CO2,
peut être utilisé lors de la photosynthèse. Des phénomènes de sédimentation et de décomposition/oxydation de la matière organique peuvent être observés (Figure I-3).
Depuis plusieurs décades, les études se sont attachées à décrire l’origine de la matière organique ainsi que les processus biogéochimiques se produisant au sein des principales rivières mondiales. Ces travaux utilisent des marqueurs et outils qui diffèrent selon l’objectif principal de l’étude. Ainsi, Barth & Veizer, 1999 décrivent le cycle du carbone dans le fleuve St Laurent (Canada) en s’appuyant sur les concentrations en COD, les compositions isotopiques du carbone minéral (13CID) ou de l’oxygène de l’eau H218O qui leur permettent
de mieux décrire la dynamique saisonnière du carbone. Zhang et al., 2009 déterminent le flux de carbone organique et la qualité de la matière organique à l’aide du 13
COP, du rapport C/N et des concentrations en COP et COD dans la rivière des Perles (Chine). De la même façon, en France, les travaux de Siclet et al. 2002 ont été menés sur la Loire qui représente l’un des principaux apports en carbone et nutriments de l’Océan Atlantique de l’Europe de l’Ouest. Initialement tournées vers l’observation des phénomènes d’anoxie et de flux de CO2 dans
l’estuaire (Abril et al. 2003 ; Abril et al. 2004), ces études ont été complétées par une estimation de la contribution des termes sources (processus géochimiques de production de matière dissoute) ayant lieu en Loire moyenne (Grosbois et al. 2000).
Pour prendre en compte à la fois les processus d’émission de CO2 et de stockage du
carbone transitant dans les rivières, Cole et collaborateurs ont proposé un nouveau modèle (Cole et al. 2007). Selon ce nouveau schéma (Figure I-2b), 1,9 GtC provient du continent contre 0,9 GtC précédemment. De cette quantité, seuls 47% arrivent à l’océan, 11% se sédimentent au fond des rivières et 42% rejoignent l'atmosphère sous forme de CO2 soit
presque autant de CO2 que les océans en absorbent chaque année.
Continent 0.9 GtC/an Rivière Océan 0.9 GtC/an
Continent 1.9 GtC/an Dégazage 0.8 GtC/an Océan 0.9 GtC/an Sédimentation 0.2 GtC/an Rivière a) b)
Chapitre I – Introduction générale, contexte et objectifs de la thèse
24
Figure I-3 : Représentation simplifiée du cycle du carbone dans les rivières d’après Raymond et al. 2005.
Au cours des 20 dernières années, les isotopes stables du carbone, présentés en annexe A, sont devenus des outils indispensables pour comprendre l’origine et le cycle du carbone (Taylor & Fox 1996 ; Yang et al. 1996 ; Karim & Veizer 2000 ; Kendall et al. 2001 ; Finlay & Kendall 2007 ; Longworth et al. 2007 ; Fu et al. 2014). Ces études ont montré que les isotopes stables du carbone sont des indicateurs des réactions biogéochimiques qui ont lieu tout au long de leur parcours dans les rivières, en particulier concernant les quantités relatives de la photosynthèse et de la respiration aquatique. Dès 1975 (Spiker & Rubin 1975), l’utilisation du radiocarbone (14C) dans les études de rivières fournissent des informations uniques sur les sources, les temps de résidence et les transformations du carbone. Toutefois le nombre de ces études restent encore limité en Europe et sont finalement très développées sur le continent américain sur la côte Est des Etats Unis et dans le bassin de l’Amazone au Brésil (Hedges et al. 1986 ; Raymond & Bauer 2001 ; Raymond et al. 2004 ; Mayorga et al. 2005 ; Neff et al. 2006 ; Raymond et al. 2007 ; Sickman et al. 2010 ; Butman et al. 2012 ; Rosenheim et al. 2013 ; Bouchez et al. 2014 ; Marwick et al. 2015).
Chapitre I – Introduction générale, contexte et objectifs de la thèse
25
I.2 Les différentes formes de carbone
I.2.1 Origine et nature du CID, CIP, COD et COP
I.2.1.1 Le Carbone Inorganique Dissous
Le carbone inorganique dissous est produit par la dissolution du CO2 atmosphérique
dans l’eau, la dissolution des roches carbonatées et silicatées par érosion chimique et aussi par la décomposition de la matière organique dissoute ou particulaire (Baker et al. 2008). La photosynthèse et la respiration in situ impacte également les teneurs en CID. Ces processus influencent l’alcalinité, le pH et la répartition du CID sous ses trois formes : le dioxyde de carbone dissous (CO2aq) et/ou acide carbonique (H2CO3), les ions bicarbonates (HCO3-) et
carbonates (CO32-) présents dans l’eau. Selon le diagramme de prédominance des espèces de
l’acide carbonique en système ouvert (Figure I-4), les ions bicarbonates sont l’espèce majoritaire entre pH 6,3 et 10,3 ce qui explique que 80% du CID en rivière soit sous cette forme (Abril & Frankignoulle 2001).
Figure I-4 : Diagramme de répartition des espèces de l'acide carbonique.
Selon la nature du bassin versant de la rivière, les sources de CID sont variées. Sur un sol calcaire, le CID provient, à la fois, de l’équilibre avec le CO2 atmosphérique et de la
dissolution des roches. Dans les environnements de type volcanique ou plutonique, le CID présent dans les rivières résulte de l’équilibre entre le CO2 atmosphérique et d’un possible
dégazage de CO2 volcanique. Les teneurs en CID sont donc très variables selon la rivière
considérée comme cela est indiqué dans le Tableau I-2 où sont données les concentrations en CID pour vingt-cinq plus grands fleuves du monde.
Chapitre I – Introduction générale, contexte et objectifs de la thèse
26
Tableau I-2 : Concentrations en CID (mgHCO3-/L) dans les 25 plus grand fleuves du monde. Les références
bibliographiques sont indiquées dans la 4ème colonne (modifié d’après Cai et al. 2008).
Fleuves (mg HCOCID
3-/L) Période Référence
Amazone 22,5 1963-1964 Gibbs 1972
Congo 13,7 1987-1989 Probst et al. 1992
Orénoque 25,8 1981-1982 Nemeth et al. 1982
Fleuve Bleu (Yang-Tsé-Kiang) 108,6 1963-1999 Liu et al. 2002
Brahmapoutre 68,0 1982;1996 Sarin et al. 1989; Galy & France-Lanord 1999
Mississippi 126,5 1997-2004 Cai et al. 2008
Ienisseï 55,2 1971-1980 Gordeev et al. 1996
Parana 46,6 1981-1982 Depetris & Lenardon 1983
Léna 53,1 1975-1990 Gordeev & Sidorov 1993
Mékong 57,9 1961-1962 Meybeck & Carbonnel 1975
Ob 76,3 1971-1980 Gordeev et al. 1996
Ganges 119,9 1982 Sarin & Krishnaswami 1984
St Laurent 2,9 1998-1999 Hélie et al. 2002
Rivière des Perles 1,4 2000-2004 Guo et al. 2008
Fleuve de l'Ouest 118,2 - Chen & He 1999
Mackenzie 109,8 1969 Reeder et al. 1972
Columbia 76,0 - Meybeck 1979
Oubangi (affluent du Congo) 19,3 1988-1989 Probst et al. 1992
Yukon 83,1 2002 Guo et al. 2004
Danube 190,0 - Meybeck 1979
Niger 33,6 1980-1981 Martins & Probst 1991
Kolyma 28,5 1980-1990 Gordeev et al. 1996
Indus 102,5 1994-1995 Karim & Veizer 2000
Godavari 131,5 1977-1978 Subramanian 1979
Fleuve Jaune (Huang He) 158,1 2000-2001 Li & Zhang 2003
I.2.1.2 Le Carbone Inorganique Particulaire
Le Carbone Inorganique Particulaire (CIP) a trois origines. Le CIP d’origine détritique provient de l’érosion mécanique des roches carbonatées. Le CIP d’origine biogénique est fabriqué par des organismes à coquille calcaire. Enfin, le CIP endogénique précipite dans la rivière quand le pH dépasse 9,0en raison d’une activité photosynthétique intense. Lors de la précipitation, les diatomées servent de noyau et les agrégats de cristaux de calcite se fixent autour. Depuis les années 1990, les chroniques journalières indiquent une diminution du pH en Loire en période estivale limitant fortement la précipitation de la calcite (Minaudo, C. 2015, communication personnelle). Depuis 2010, les teneurs en chlorophylle et en nutriments ont fortement diminué (Floury et al.2012 ; Minaudo et al. 2013). De plus, les périodes d’étiage sont moins favorables à la prolifération de diatomées (Descy et al.2009). Par conséquent, la quantité de calcite dans la Loire a diminué et elle a quasi disparu à l’entrée de l’estuaire. La production de calcite a donc fortement régressée et la dissolution et/ou la sédimentation a augmenté au cours de son transport.
Chapitre I – Introduction générale, contexte et objectifs de la thèse
27
I.2.1.3 Le Carbone Organique Dissous
Le COD est constitué par des composés labiles de faible poids moléculaire. Généralement, sa quantité augmente avec la taille du cours d’eau et la température (Keller & Hood 2013). Le COD peut être réparti en trois grandes classes (Thurman 1985):
Les composés simples ou non humiques, tels que les glucides, les lipides, la lignine, etc… ;
Les composés humiques qui sont des biopolymères de poids moléculaire supérieur à 500 Da. Ils sont produits par les microorganismes présents dans les sols et l’eau. Les plus représentatifs sont les acides humiques, fulviques et les humines ;
Les polluants organiques. Cette catégorie rassemble les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), les polychlorobiphényles (PCB) ainsi que les pesticides, insecticides et herbicides.
Le COD comporte une composante autochtone et allochtone. Le COD autochtone provient principalement de la croissance et de la division cellulaire du phytoplancton et de la décomposition du phytoplancton et des macrophytes (Otsuki & Hanya 1972). Le pourcentage de relargage extracellulaire est compris entre 2% et 10% (Nagata 2000). Le COD libéré lors de la décroissance du phytoplancton par lyse ou décomposition n’a pas la même signature que celui diffusé lors de la croissance phytoplanctonique (Kawasaki & Benner 2006). En effet, la grande perméabilité de leur membrane cellulaire facile la diffusion des petits composés organiques (Bjornsen 1988).
Le COD allochtone, considéré comme majoritaire (Raymond & Bauer 2001), provient principalement de la dégradation de la matière organique terrestre apportée par les nappes d’eau souterraines et les eaux de ruissellement. Le COD allochtone prend aussi en compte le COD anthropique, c’est-à-dire le COD provenant des stations d’épuration, des Centres Nucléaires de Production d’Electricité ou des terrains agricoles utilisant des engrais (Baker et al 2008).
Le COD joue de nombreux rôles dans les rivières. Entre autres, il contrôle l’acidité des eaux (Eshleman & Hemond 1985) et a la capacité d’absorber le rayonnement UV (Zafiriou & Joussot-Dubien 1984). Il est aussi très biodisponible pour les organismes aquatiques hétérotrophes auxquels il sert de source d’énergie et de nutriments (Wetzel 1992).
I.2.1.4 Le Carbone Organique Particulaire
De façon générale, le COP a quatre sources.Il peut provenir:
de l’érosion des sols et du substrat géologique,
des débris végétaux des rives,
de la végétation aquatiques (algues fixées, macrophytes)
et de la production primaire (COP-algal) (Meybeck 1993).
Dans la majeure partie des rivières, le COP est d’origine allochtone, c’est-à-dire qu’il n’est pas formé dans le milieu. Dans le milieu pélagique, les principaux producteurs primaires sont les microorganismes phytoplanctoniques. Le phytoplancton est un groupe de d’organismes photosynthétiques polyphélitiques de la colonne d’eau qui sont généralement sous forme microscopique et unicellulaire qui absorbe le CO2 dissous pour former de la
Chapitre I – Introduction générale, contexte et objectifs de la thèse
28
matière organique. Il comprend des microalgues (phytoplancton eucaryote tels que les diatomées ou les dinoflagellées) et les cyanobactéries. Ce phytoplancton représente seulement 1% de la biomasse photosynthétique totale mais est responsable de la moitié de la produire primaire globale (Field 1998; Lauro et al. 2009).
Le pourcentage de COP est très variable spatialement dans les rivières : de 0,5 à 40% (rapporté à la masse de matières en suspension). Quelques exemples sont présentés dans le Tableau I-3 extrait de (Meybeck 1982).
Tableau I-3 : Pourcentages annuels de carbone organique particulaire dans plusieurs rivières du monde extrait de Meybeck 1982 ; a) Wagemann et al. 1977 ; b) Malcom & Durum 1975 ; c) FAO/UNESCO 1973).
Rivière COP % Référence
Mackenzie (Canada) 1,58 a)
Mississipi (USA) 2,28 b)
Sopchoppy (USA) 35,3 c)
Nil (Egypte) 1,14 d)
I.2.2 Les principaux processus engagés: photosynthèse / dégazage/ sédimentation
Dans la rivière, le phytoplancton constitue en grande partie le carbone algal vivant. Les mesures de 13C sur le phytoplancton frais mettent en évidence une gamme de variation de -19‰ à -42‰ (Finlay & Kendall 2007 ; Marwick et al. 2015). Ces variations sont expliquées par l’assimilation du CO2 aqueux (H2CO3) par le phytoplancton donnant un fractionnement
allant jusqu’à -20‰ en fonction des conditions physico-chimiques du milieu. Le 13
C de la biomasse va dépendre de la concentration et de la composition isotopique de la source de CID et des conditions de température et de pH qui conditionnent la disponibilité du CO2(aq). Il peut
aussi dépendre du métabolisme des algues. Généralement les algues synthétisent selon le mode des plantes C3 mais dans des conditions défavorables (baisse de la luminosité ou vieillissement des cellules), un mode de photosynthèse apparenté C4 a été détecté, de façon temporaire,pour des algues monocellulaires marines (Descolas-Gros 1985).
Les transferts gazeux (ou dégazage) obéissent à la loi d’Henry. A température constante et à saturation, la quantité de gaz dissous dans un liquide est proportionnelle à la pression partielle qu'exerce ce gaz sur le liquide. Un équilibre des pressions s’établit de part et d’autre de l’interface. La décomposition de la matière organique dans les sols et la rivière induisent une sursaturation en CO2 dans les rivières. Ce CO2 est transporté latéralement par la rivière et
est, en partie, transféré à l’atmosphère pour rétablir l’équilibre dont les proportions dépendent du débit, de la pression partielle en CO2 et du coefficient d’échange gazeux (Abril &
Chapitre I – Introduction générale, contexte et objectifs de la thèse
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Frankignoulle 2001 ; Ciais et al. 2008 ; Raymond et al. 2008). Dans le cas d’un fleuve eutrophe, où il y a une forte activité photosynthétique, le fleuve peut être sous saturé en CO2
et la rivière devient un puits de CO2 pour l’atmosphère (Kempe 1984; Fontugne et al. 2007).
Le stockage du carbone dans les sédiments concerne une quantité totale de sédiments en mouvement comprise entre 30 et 100 PgC/an à l’échelle mondiale (Cole et al. 2007 ; Liu et al. 2010). Il reste relativement peu documenté en rivière bien que ce soit considéré comme un processus déterminant. En effet, il est acté que la sédimentation a préférentiellement lieu dans les estuaires et les zones côtières (e.g. Schlesinger & Melack 1981 ; Zhu & Olsen 2014). La plupart des bassins versants étudiés pour décrire les phénomènes de sédimentation sont composés de roches métamorphiques même si les érosions physico-chimiques ont lieu en terrain sédimentaire. A présent, la sédimentation dans le lit de la rivière (la Loire ou en général) est perturbée par l’augmentation de l’utilisation des terres et de la population, par la déforestation, l’urbanisation (Li et al. 2008 ; Cole et al. 2007), les gravières et les barrages. La quantité de carbone n’est pas toujours estimée dans les sédiments. Le carbone autochtone prédomine quand il y a peu de matière en suspension. Tandis que le carbone allochtone (principalement des sols) est majoritaire quand la concentration en MES est élevée (Stallard 1998). En Loire, la sédimentation a deux pôles : un pôle acide et un pôle calcique. Le pôle acide est uniquement le produit de la sédimentation détritique par une alimentation de l’amont du bassin. Le pôle basique est le résultat de deux phénomènes : 1) une sédimentation détritique avec une alimentation en calcium par les roches carbonatées du bassin moyen et 2) une sédimentation chimique si les conditions sont favorables pour une précipitation du calcium dans le milieu. C’est le régime du fleuve qui conditionne son alimentation. En hiver, l’alimentation provient de l’amont apportant des sédiments détritiques et acides. Le haut du bassin est le plus érodé. En été, l’alimentation est calcique avec des apports du bassin parisien (Brossé 1979).
I.3 Utilisation des isotopes du carbone comme traceur de processus en
rivière
I.3.1 Variabilité spatiale
Le carbone 14, depuis longtemps utilisé pour la datation, est aussi utilisé comme traceur de processus en le couplant avec le carbone 13. Ces deux isotopes du carbone ainsi que les différentes notations utilisées pour leur activité ou abondance sont décrits en annexe A. Ainsi, les mesures des isotopes du carbone (12C, 13C et 14C) peuvent être réalisées sur les différentes formes physicochimiques du carbone afin d’en déterminer la ou les sources (production autochtone versus anthropique par exemple). Dans le cas des phases minérales, et notamment du CID, il existe de multiples sources. Les différents sous bassins versants qui composent un bassin versant peuvent chacun apporter une contribution qui sera fonction de sa nature. Un exemple de cette variabilité est présenté sur le Rhône (France) pour lequel les affluents ont une très forte influence sur la composition isotopique du CID du fleuve (Aucour et al. 1999). Le 13CID est en corrélation négative avec les teneurs en CID indiquant que l’apport en carbone inorganique provient des affluents prenant leur source en montagne ou drainant des substrats carbonatés. Enfin, outre les sources de CID de nature géologique, la composition de ce dernier est également influencée par la décomposition de la matière organique (e.g. Taylor & Fox 1996 : rivière Waimakariri en Nouvelle-Zélande ; Rivé et al. (2013) : l’Allier ; Yang et al. 1996 : fleuve Saint Laurent). Ainsi, le marquage en 14CID dans la rivière Waimakariri est
